Compunerea turbinelor cu abur - Compounding of steam turbines

Compunerea turbinelor cu abur este strategia în care energia din abur este extrasă în mai multe etape, mai degrabă decât într-o singură etapă într-o turbină. O turbină cu abur compusă are mai multe etape, adică are mai multe seturi de duze și rotoare , în serie, fixate pe arbore sau fixate pe carcasă, astfel încât presiunea aburului sau viteza jetului sunt absorbite de turbină în număr de etape.

Necesitate

Compunerea turbinei cu abur este utilizată pentru a reduce viteza rotorului. Este procesul prin care viteza rotorului ajunge la valoarea dorită. Un sistem multiplu de rotoare este conectat în serie, conectat la un arbore comun, iar presiunea sau viteza aburului este absorbită în etape pe măsură ce curge peste lame. Aburul produs în cazan are o entalpie suficient de mare atunci când este supraîncălzit . În toate turbinele, viteza lamei este direct proporțională cu viteza aburului care trece peste lamă. Acum, dacă întreaga energie a aburului este extrasă într-o etapă, adică dacă aburul este extins de la presiunea cazanului la presiunea condensatorului într-o singură etapă, atunci viteza acestuia va fi foarte mare. Prin urmare, viteza rotorului (la care sunt fixate lamele) poate ajunge la aproximativ 30.000 rpm, ceea ce este prea mare pentru utilizări practice din cauza vibrațiilor foarte mari. Mai mult, la viteze atât de mari, forțele centrifuge sunt imense, ceea ce poate deteriora structura. Prin urmare, este necesară compunerea. Aburul cu viteză mare lovește doar pe un singur inel de rotor care provoacă irosirea aburului variind de la 10% la 12%. Pentru a depăși risipa de abur se utilizează compunerea turbinei cu abur.

Tipuri de turbine cu abur

1. Impuls : Nu există nicio modificare a presiunii aburului pe măsură ce trece prin lamele mobile. Există schimbări numai în viteza de curgere a aburului.
2. Reacție : există o schimbare atât a presiunii, cât și a vitezei pe măsură ce aburul curge prin lamele în mișcare.

Tipuri de compunere

Într-o turbină cu abur Impulse, compunerea poate fi realizată în următoarele trei moduri: -

1. Compunerea vitezei
2. Compunere sub presiune
3. Compunere presiune-viteză

Într-o reacție, amestecarea turbinei poate fi realizată numai prin amestecarea sub presiune.

Compunerea cu viteză a turbinei de impuls

Turbina Impulse cu viteză compusă a fost propusă pentru prima dată de CG Curtis pentru a rezolva problema turbinei Impulse cu o singură treaptă pentru utilizarea aburului de presiune și temperatură ridicată.

Inelele lamelor mobile sunt separate de inele lamelor fixe. Lamele mobile se fixează pe arborele turbinei, iar lamele fixe sunt fixate pe carcasă. Aburul de înaltă presiune care vine de la cazan este extins mai întâi în duză. Duza convertește energia de presiune a aburului în energie cinetică. Scăderea totală de entalpie și, prin urmare, scăderea presiunii are loc în duză. Prin urmare, presiunea ulterioară rămâne constantă.

Acest abur de mare viteză este direcționat către primul set (inel) de lame în mișcare. Pe măsură ce aburul curge peste lame, datorită formei lame, el conferă o parte din impulsul său lamelor și pierde o anumită viteză. Doar o parte din energia cinetică ridicată este absorbită de aceste lame. Restul este epuizat pe următorul inel al lamei fixe. Funcția lamelor fixe este de a redirecționa aburul care pleacă de la primul inel al lamelor mobile la cel de-al doilea inel al lamelor mobile. Nu există nicio modificare a vitezei aburului pe măsură ce trece prin lamele fixe. Aburul intră apoi în următorul inel de lame mobile; acest proces se repetă până când practic toată energia aburului a fost absorbită.

O diagramă schematică a turbinei de impuls Curtis, cu două inele de lame în mișcare, un inel de lame fixe este prezentată în figura 1 . Figura arată, de asemenea, schimbările de presiune și viteza absolută a aburului pe măsură ce trece prin etape.

Unde,

${\ displaystyle P_ {i}}$ = presiunea aburului la intrare

${\ displaystyle V_ {i}}$ = viteza aburului la intrare

${\ displaystyle P_ {o}}$ = presiunea aburului la ieșire

${\ displaystyle V_ {o}}$ = viteza aburului la ieșire

În figura de mai sus sunt două inele de lame mobile, separate de un singur inel de lame fixe. După cum sa discutat mai devreme, întreaga cădere de presiune are loc în duză și nu există pierderi de presiune ulterioare în niciuna dintre etapele următoare. Scăderea vitezei are loc în lamele mobile și nu în lamele fixe.

Diagrama de viteză

Așa cum se arată în diagrama de mai sus, există două inele de lame mobile, separate de un inel de lame fixe. Diagrama de viteză din figura 2 prezintă diferitele componente ale vitezei aburului și viteza palei lamelor în mișcare.

Unde,

${\ displaystyle V_ {a}}$ = viteza absolută a aburului

${\ displaystyle V_ {r}}$ = viteza relativă a aburului

${\ displaystyle V_ {b}}$ = Viteza lamei

${\ displaystyle \ theta}$ = Unghiul duzei

${\ displaystyle \ Phi}$ = Unghiul de intrare a lamei

${\ displaystyle \ gamma}$ = Unghiul de ieșire a lamei

${\ displaystyle \ delta}$ = unghiul de ieșire a fluidului

Din figura de mai sus se vede că aburul, după ce a ieșit din lamele mobile, intră în lamele fixe. Lamele fixe redirecționează aburul către următorul set de lame mobile. Prin urmare, aburul își pierde viteza în mai multe etape, mai degrabă decât într-o singură etapă.

Viteza optimă

Este viteza lamelor la care se poate atinge puterea maximă. Prin urmare, viteza optimă a lamei pentru acest caz este,

${\ displaystyle V_ {b, optim} = {\ frac {V_ {a1} \ cos \ theta _ {1}} {2n}}}$

unde n este numărul de etape.

Această valoare a vitezei optime este de 1 / n ori mai mare decât a turbinei cu un singur stadiu. Aceasta înseamnă că puterea maximă poate fi produsă la viteze ale lamei mult mai mici.

Cu toate acestea, munca produsă în fiecare etapă nu este aceeași. Raportul de lucru produs într-o turbină cu două trepte este de 3: 1 pe măsură ce se trece de la o presiune mai mare la una mai mică. Acest raport este de 5: 3: 1 la o turbină cu trei trepte și se schimbă la 7: 5: 3: 1 la o turbină cu patru trepte.

Dezavantaje ale compusului de viteză

• Datorită vitezei mari a aburului, există pierderi mari de frecare.
• Munca produsă în etapele de joasă presiune este mult mai mică.
• Proiectarea și fabricarea lamelor care pot rezista la viteze atât de mari sunt dificile.

Compunerea sub presiune a turbinei de impuls

Turbina Impulse compusă sub presiune este numită și turbină Rateau, după inventatorul ei. Aceasta este utilizată pentru a rezolva problema vitezei mari a palei în turbina cu impuls cu un singur stadiu.

Se compune din inele alternative de duze și pale ale turbinei. Duzele sunt montate pe carcasă, iar lamele sunt fixate pe arborele turbinei.

În acest tip de compus, aburul este extins în mai multe etape, în loc de doar una (duză) în compusul de viteză. Se face prin lamele fixe care acționează ca duze. Aburul se extinde în mod egal în toate rândurile de lame fixe. Aburul care vine de la cazan este alimentat în primul set de lame fixe, adică inelul duzei. Aburul este parțial expandat în inelul duzei. Prin urmare, există o scădere parțială a presiunii aburului de intrare. Acest lucru duce la o creștere a vitezei aburului. Prin urmare, presiunea scade și viteza crește parțial în duză.

Acesta este apoi trecut peste setul de lame mobile. Pe măsură ce aburul curge peste lamele în mișcare, aproape toată viteza sa este absorbită. Cu toate acestea, presiunea rămâne constantă în timpul acestui proces. După aceasta, este trecut în inelul duzei și este din nou parțial extins. Apoi este alimentat în următorul set de lame mobile și acest proces se repetă până când se atinge presiunea condensatorului.

Acest proces a fost ilustrat în figura 3 .

unde simbolurile au aceeași semnificație ca mai sus.

Este o turbină cu impulsuri cu presiune în trei trepte. Fiecare etapă constă dintr-un inel de lame fixe, care acționează ca duze și un inel de lame mobile. După cum se arată în figură, căderea de presiune are loc în duze și este distribuită în mai multe etape.

Un punct important de remarcat aici este că vitezele de abur de admisie pentru fiecare etapă a lamelor în mișcare sunt în esență egale. Acest lucru se datorează faptului că viteza corespunde scăderii presiunii. Deoarece, într-o turbină cu abur compus sub presiune, doar o parte din abur este extinsă în fiecare duză, viteza aburului este mai mică decât în ​​cazul anterior. Poate fi explicat matematic din următoarea formulă adică

${\ displaystyle {\ frac {V_ {1} ^ {2}} {2}} + {h_ {1}} = {\ frac {V_ {2} ^ {2}} {2}} + {h_ {2 }}}$

Unde,

${\ displaystyle V_ {1}}$ = viteza absolută de ieșire a fluidului

${\ displaystyle h_ {1}}$ = entalpia de fluid la ieșire

${\ displaystyle V_ {2}}$ = viteza absolută de intrare a fluidului

${\ displaystyle h_ {2}}$ = entalpia fluidului la intrare

Se poate vedea din formulă că doar o fracțiune a entalpiei este convertită în viteză în lamele fixe. Prin urmare, viteza este foarte mică în comparație cu cazul anterior.

Diagrama de viteză

Diagrama de viteză prezentată în figura 4 oferă un detaliu despre diferitele componente ale vitezei aburului și ale vitezei lamei.

unde simbolurile au aceeași semnificație ca mai sus.

Un punct important de remarcat din diagrama de viteză de mai sus este că unghiul de ieșire al fluidului (δ) este de 90⁰. Acest lucru indică faptul că viteza turbionară a fluidului la ieșirea din toate etapele este zero, ceea ce este în conformitate cu conceptul de viteză optimă (așa cum am discutat mai sus).

Raportul de muncă produs în diferite etape este similar cu cel discutat pentru tipul de mai sus.

Dezavantaje ale compunerii sub presiune

• Dezavantajul este că, deoarece există o scădere de presiune în duze, trebuie să fie etanșe la aer.
• Sunt mai mari și mai voluminoase ca dimensiune de 34 inci

Turbină de impuls compusă cu viteză de presiune

Este o combinație a celor două tipuri de compunere de mai sus. Căderea totală de presiune a aburului este împărțită în mai multe etape. Fiecare etapă constă din inele de lame fixe și în mișcare. Fiecare set de inele de lame mobile este separat de un singur inel de lame fixe. În fiecare etapă există un inel de lame fixe și 3-4 inele de lame mobile. Fiecare etapă acționează ca o turbină cu impuls compus la viteză.

Lamele fixe acționează ca duze. Aburul care vine de la cazan este trecut la primul inel de lame fixe, unde se dilată parțial. Presiunea scade parțial și viteza crește corespunzător. Viteza este absorbită de următoarele inele de lame în mișcare până când ajunge la următorul inel de lame fixe și întregul proces se repetă din nou.

Acest proces este prezentat schematic în figura 5 .

unde, simbolurile au semnificația lor obișnuită.

Compunerea sub presiune a turbinei de reacție

După cum sa explicat mai devreme, o turbină de reacție este una în care există pierderi de presiune și viteză în paletele mobile. Lamele mobile au o duză de abur convergentă. Prin urmare, atunci când aburul trece peste lamele fixe, acesta se extinde odată cu scăderea presiunii aburului și creșterea energiei cinetice.

Acest tip de turbină are un număr de inele de lame mobile atașate la rotor și un număr egal de lame fixe atașate la carcasă. În acest tip de turbină, căderile de presiune au loc în mai multe etape.

Aburul trece peste o serie de lame fixe și în mișcare alternative. Lamele fixe acționează ca duze, adică schimbă direcția aburului și îl extind. Apoi, aburul este trecut pe lamele în mișcare, care extind în continuare aburul și, de asemenea, absorb viteza acestuia.

Acest lucru este explicat în figura 6 .

unde, simbolurile au aceeași semnificație ca mai sus.

Diagrama de viteză

Diagrama de viteză dată în figura 7 oferă un detaliu despre diferitele componente ale vitezei aburului și ale vitezei lamei (simbolurile au același sens ca mai sus).

Vezi si

• Compunerea sub presiune în turbine

Referințe

Lecturi suplimentare

• Venkanna BK, Fundamentals of Turbomachinery , PHI Learning Private Limited, New Delhi, 2011.
• Yahya SM, turbine, compresoare și ventilatoare (ediția a patra) , Tata Mcgraw Hill Education Private Limited, New Delhi, 2011.
• El-Wakil MM, Powerplant Technology , Tata Mcgraw Hill Education Private Limited, New Delhi, 2010.
• MSGOVINDE GOWDA: MM PUBLISHERS DAVANGERE, KARNATAKA, INDIA
• Singh Onkar, Termodinamica aplicată , New Age International (P) Ltd., New Delhi, 2009.